Проектирование систем отопления и кондиционирования для промышленного здания – образец дипломной работы

В рамках данного дипломного проекта, эта глава посвящена разработке и обоснованию системы отопления для промышленного объекта. Учитывая, что для отопления производственных помещений расходуется значительное количество энергоресурсов, актуальность выбора энергоэффективных решений выходит на первый план. Целью данной работы является проектирование современной и экономичной системы отопления. Для ее достижения будут решены следующие задачи: выполнен анализ исходных данных объекта и климатических условий, произведен расчет тепловых потерь, осуществлен подбор основного оборудования, представлено технико-экономическое обоснование и проработаны вопросы безопасности.

Анализ объекта проектирования и климатических условий

В качестве объекта проектирования принимается производственный цех, расположенный в г. Чита. Здание имеет следующие габаритные размеры: длина 60 м, ширина 24 м, высота до низа несущих конструкций 8 м. Стены выполнены из сэндвич-панелей с минераловатным утеплителем, кровля — плоская, также утепленная. В здании предусмотрены оконные проемы и двое ворот для транспорта.

Выбор системы отопления и расчет ее мощности напрямую зависят от климатических условий региона. Для г. Чита характерен суровый климат, где температура воздуха большую часть года держится ниже отметки +8°С, что обуславливает длительный отопительный период. Согласно нормативным данным, расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления в холодный период года составляет -35°С. Эти исходные данные являются фундаментом для всех дальнейших инженерных расчетов.

Обоснование выбора системы лучистого отопления

Обогрев высоких промышленных помещений (с высотой потолков более 5-6 метров) с помощью традиционных конвективных систем (например, регистров или калориферов) сопряжен с серьезной проблемой. Такие системы в первую очередь греют воздух, который, согласно законам физики, поднимается вверх, скапливаясь под потолком. В результате рабочая зона внизу остается недостаточно прогретой, а огромное количество тепловой энергии тратится впустую на обогрев неиспользуемого подпотолочного пространства.

Решением этой проблемы является применение системы лучистого отопления. В отличие от конвективной, она работает по принципу солнца: инфракрасные излучатели генерируют тепловую энергию, которая проходит через воздух, не нагревая его, и поглощается непосредственно поверхностями — полом, стенами, оборудованием и, что самое важное, людьми в рабочей зоне. Эти нагретые поверхности затем отдают тепло окружающему воздуху. Такой подход позволяет:

• Создавать комфортные температурные условия непосредственно в рабочей зоне, а не под потолком.
• Значительно снизить общую температуру воздуха в помещении без потери теплового комфорта.
• Исключить неэффективный перегрев верхних слоев воздуха.

В результате, по сравнению с конвективными системами, экономия энергоресурсов при использовании лучистого отопления на промышленных объектах может достигать 3-5 раз, что делает этот выбор экономически и технически обоснованным.

Техническая характеристика выбранной системы

Для проекта выбрана система газового лучистого отопления на базе трубчатых инфракрасных нагревателей. Это оборудование относится к так называемым «темным» излучателям, так как температура излучающей поверхности не превышает 450-500°С, и они не дают видимого свечения.

Основные компоненты системы:

1. Газовая горелка: Установлена в начале трубы, смешивает газ с воздухом и сжигает его, создавая горячие дымовые газы.
2. Излучающие трубы: По ним движутся продукты сгорания, нагревая их поверхность до высокой температуры. Именно эти трубы являются источником инфракрасного излучения.
3. Рефлектор (отражатель): Располагается над трубами и фокусирует тепловое излучение вниз, в рабочую зону, предотвращая потери тепла через кровлю.
4. Система дымоудаления: Вентилятор в конце системы удаляет остывшие продукты сгорания за пределы здания.

Такая конструкция обеспечивает высокий КПД и направленную передачу тепла. Система работает в автоматическом режиме, поддерживая заданную температуру с помощью термостатов. Выбор именно газового оборудования обусловлен его высокой экономической эффективностью по сравнению с электрическими аналогами.

Расчет тепловых потерь производственного здания

Ключевым этапом проектирования является определение общего количества тепла, которое теряет здание в самые холодные дни года. Эта величина, выраженная в кВт, определяет требуемую мощность системы отопления. Общие теплопотери (Qобщ) складываются из двух основных составляющих: потерь через ограждающие конструкции и потерь на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха.

Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции (Qогр) выполняется по формуле:

Qогр = Σ [ A * (tв — tн) * k * n ]

Где:

• A — площадь конструкции (стены, окна, крыши, ворот), м².
• tв — требуемая температура внутреннего воздуха (+18°С для производственного цеха).
• tн — расчетная температура наружного воздуха (-35°С для г. Чита).
• k — коэффициент теплопередачи материала, Вт/(м²·°C).
• n — поправочный коэффициент.

Последовательно рассчитываются теплопотери для стен, кровли, окон и ворот, а затем суммируются. Дополнительно рассчитываются теплопотери от инфильтрации (проникновения холодного воздуха через щели) и на нагрев материалов, въезжающих в цех. На основе условных данных по площадям и коэффициентам теплопередачи, суммарные тепловые потери здания составили 285 кВт. Это и есть та мощность, которую должна скомпенсировать проектируемая система отопления.

Подбор и размещение основного отопительного оборудования

Опираясь на расчетную величину теплопотерь в 285 кВт, необходимо подобрать конкретные модели газовых излучателей и определить их количество. Для равномерного покрытия всей площади цеха и создания комфортного теплового поля целесообразно использовать несколько излучателей меньшей мощности вместо одного-двух очень мощных.

Выбраны газовые инфракрасные излучатели модели «Х» с номинальной тепловой мощностью 45 кВт каждый. Для компенсации общих теплопотерь потребуется:

285 кВт / 45 кВт/шт ≈ 6.33 шт.

Принимаем к установке 7 излучателей, что обеспечивает небольшой запас мощности (7 * 45 = 315 кВт) для быстрого прогрева помещения после простоя и компенсации аномально низких температур.

Размещение оборудования требует особого подхода. Излучатели монтируются под потолочными фермами на высоте 7 метров. Они располагаются в два ряда вдоль цеха, чтобы их зоны действия перекрывались, обеспечивая равномерный обогрев всей рабочей площади на уровне пола. Такое размещение позволяет избежать «холодных зон» между приборами и зон перегрева непосредственно под ними. Каждый излучатель оснащается индивидуальной системой дымоудаления с выводом продуктов сгорания через стену.

Принципиальная схема спроектированной системы отопления

Итоговое проектное решение представляется в виде чертежа — плана цеха в масштабе. На этом плане нанесены все ключевые элементы системы:

• Условные обозначения семи газовых инфракрасных излучателей, расположенных в соответствии с логикой, описанной в предыдущем разделе.
• Трассировка газопровода низкого давления от точки ввода в здание до каждого излучателя с указанием диаметров труб на разных участках.
• Расположение шкафного газорегуляторного пункта (ШГРП).
• Схема прокладки дымоотводящих труб от каждого излучателя до наружной стены.
• Места установки датчиков-термостатов, управляющих работой системы.

Текст экспликации к схеме подробно разъясняет все условные обозначения и комментирует основные узлы, такие как подключение горелок и организация выброса продуктов сгорания. Схема наглядно демонстрирует комплексное решение задачи по обогреву здания.

Интеграция с системами вентиляции и кондиционирования

Система отопления является лишь одной из частей комплексной системы поддержания микроклимата (HVAC). Для производственного цеха, где возможны технологические выделения (пыль, пары), а также с учетом использования газового оборудования, необходимо предусмотреть приточно-вытяжную вентиляцию с механическим побуждением. Ее задача — обеспечивать требуемый воздухообмен для удаления вредностей и продуктов сгорания, а также подавать свежий воздух для дыхания людей.

При этом полноценная система кондиционирования, то есть охлаждения воздуха в летний период, для данного объекта нецелесообразна. Технологический процесс не требует строгого поддержания низкой температуры, а климатические условия г. Чита не предполагают длительных периодов сильной жары. Задачи по поддержанию комфортной температуры в теплое время года решаются общеобменной вентиляцией. Это позволяет избежать значительных капитальных и эксплуатационных затрат на холодильное оборудование.

Гидравлический расчет системы газоснабжения

Для обеспечения надежной работы газовых горелок необходимо спроектировать систему газоснабжения, которая доставит к каждому излучателю требуемый объем газа при нужном давлении. Для этого выполняется гидравлический расчет газопровода низкого давления. Цель расчета — определить диаметры труб на каждом участке сети, чтобы падение давления от точки ввода до самого удаленного прибора не превышало допустимых значений.

Расчет ведется последовательно для каждого участка. Исходными данными служат:

• Длина каждого участка газопровода.
• Расход газа на каждом участке (суммарный расход для всех «питающихся» от него приборов).
• Допустимая потеря давления.

Основная формула определяет потери давления в зависимости от диаметра трубы, расхода газа и его физических свойств. На примере самого нагруженного участка (от ввода до первого разветвления) расчет показывает, что для обеспечения расхода газа для семи излучателей при сохранении давления в норме требуется труба диаметром 50 мм. На конечных участках, питающих один излучатель, диаметр трубы может быть уменьшен до 25 мм. Это позволяет оптимизировать затраты на материалы без ущерба для работоспособности системы.

Технико-экономическое обоснование проектного решения

Финальным аргументом в пользу выбранного проекта является его экономическая эффективность. Обоснование проводится путем сравнения капитальных и эксплуатационных затрат на предложенную систему лучистого отопления с гипотетической традиционной системой на базе водяных калориферов, работающих от центральной котельной.

Капитальные затраты (CAPEX): Включают стоимость семи газовых излучателей, системы газоснабжения, дымоудаления и монтажных работ. Условно, они составляют 1 500 000 руб.

Эксплуатационные затраты (OPEX): Основная статья — расходы на газ. С учетом высокого КПД и принципа работы, годовые затраты прогнозируются на уровне 450 000 руб.

Для сравнения, капитальные затраты на традиционную систему (котельная, теплотрасса, калориферы) были бы выше, а годовые эксплуатационные расходы, из-за низкой эффективности обогрева высоких помещений, составили бы ориентировочно 1 200 000 руб.

Годовая экономия составляет: 1 200 000 — 450 000 = 750 000 руб.

Простой срок окупаемости проекта рассчитывается как отношение капитальных затрат к годовой экономии:

1 500 000 руб. / 750 000 руб./год = 2 года

Полученный срок окупаемости подтверждает высокую экономическую целесообразность внедрения системы газового лучистого отопления.

Мероприятия по охране труда и пожарной безопасности

Эксплуатация газового отопительного оборудования требует строгого соблюдения норм безопасности. Проектом предусмотрен комплекс технических и организационных мероприятий для минимизации рисков.

Основные риски:

1. Утечка природного газа: Может привести к взрыву.
2. Отравление угарным газом (CO): Возможно при неполном сгорании топлива или неисправности системы дымоудаления.
3. Возгорание: Из-за высокой температуры излучающих поверхностей.

Для предотвращения этих рисков предусмотрены следующие меры:

• Технические: Все горелки оснащены автоматикой безопасности, которая прекращает подачу газа при затухании пламени. В помещении устанавливаются стационарные газоанализаторы на метан (CH4) и угарный газ (CO), связанные с системой сигнализации и вентиляции. Обеспечивается надежная работа принудительной системы дымоудаления.
• Организационные: Персонал, допущенный к обслуживанию, должен пройти обязательный инструктаж и обучение. Разработаны инструкции по действиям в аварийных ситуациях. Предусмотрены регулярные проверки технического состояния оборудования.

Важно отметить, что применение систем лучистого отопления имеет ограничения в помещениях с категориями пожароопасности А и Б, однако для данного производственного цеха (категория В) их использование является допустимым.

Выводы по главе

В ходе работы над данной главой дипломного проекта были решены все поставленные задачи. Был проведен детальный анализ исходных данных проектируемого промышленного здания и климатических условий г. Чита. На основе этого анализа была выбрана и всесторонне обоснована современная система газового лучистого отопления как наиболее эффективное решение для обогрева высоких помещений.

Были выполнены ключевые инженерные расчеты: определены теплопотери здания, что позволило точно рассчитать требуемую мощность, и произведен гидравлический расчет системы газоснабжения. На основе этих расчетов было подобрано конкретное оборудование, определено его количество и разработана схема размещения. Технико-экономическое обоснование доказало экономическую выгодность проекта с расчетным сроком окупаемости в 2 года. Разработанные мероприятия по охране труда и пожарной безопасности обеспечивают соответствие проекта действующим нормам. Таким образом, спроектированная система полностью решает задачу по эффективному, экономичному и безопасному отоплению промышленного здания.

Библиографический список

1. СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2004.
2. СанПин 2.1.2.1002-00 Санитарно- эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.
3. СНиП 23-01-99* Строительная климатология / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2003.
4. СНиП 31-01-2003 Здания жилые многоквартирные / Госстрой Рос-сии. – М.: ГУП ЦПП, 2003.
5. СНиП 2.08.02-89* Общественные здания и сооружения / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2000.
6. СП 41-101-95 Проектирование тепловых пунктов / Госстрой Рос-сии. – М.: ГУП ЦПП, 1999.
7. СП 41-102-98 Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 1999.
8. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита здания/ Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2003.
9. СП 23-101-2000 Проектирование тепловой защиты зданий / Гос-строй России. – М.: ГУП ЦПП, 2001.
10. Богословский В.Н. Отопление. – М.: Высшая школа, 1991.
11. Будасов Б.В., Кашинский В.П. Строительное черчение. – М.: Стройиздат, 1990.
12. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно – технические устройства. Часть I. «Отопление». Под ред. Староверова И.Г. – М.: Строй-издат, 1990.
13. ГОСТ 2.105-95. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам.- Минск: Издательство стан-дартов, 1995.
14. ГОСТ 21.602-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Рабочие чертежи. – М.: Издательство стандартов, 2003.
15. ГОСТ 21.1101-92. Основные требования к рабочей документации. – М.: Издательство стандартов, 1993.
16. ГОСТ 21.205-93 Условные обозначения элементов санитарно-технических систем – Минск.: Издательство стандартов, 1993.
17. Ерёмкин А.И., Королёва Т.И. Тепловой режим зданий. Учебное пособие. –М.: Издательство АСВ, 2001.
18. Крупнов Б.А.Отопительные приборы, производимые в России и ближнем зарубежье. – М.: Издательство АСВ, 2002.
19. Полушкин В.И., Русак О.Н., Буруев С.И. и др. Отопление, венти-ляция и кондиционирование воздуха. Ч.1. –СПб.: Профессия, 2002.
20. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. – М.: Изда-тельство НЦ «ЭНАС», 2003.
21. Радиаторные терморегуляторы RTD. Каталоги фирм-иготовителей «Danfoss», «Oventrop», «Herz», «Мытищинская теплосеть» и др.
22. Российская архитектурно-строительная энциклопедия. VI том –М.: Госстрой РФ, 2000.
23. Сканави А.И., Махов Л.И. Отопление. – М.: Издательство АСВ, 2002.
24. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. «Энергоэффек-тивные издания». М.: АВОК – ПРЕСС, 2003.
25. Худяков А.Д. Теплозащита здания в северных условиях. – М.: Издательство АСВ, 2001.
26. Циркуляционные насосы для отопительных систем: «Grundfos», «Nocchi», «Wilo» и т.д.
27. Щекин Р.В. и др. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга первая. «Отопление и теплоснабжение» – Киев.: Будивельник, 1976.
28. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и конди-ционирования воздуха.: Справочное пособие./ под ред. Богусловского Л.Д. –М.: Стройиздат, 1990.